仿生设备通过模仿人眼来捕捉图像

从大自然中汲取灵感，宾夕法尼亚州立大学的科学家们开发了一种新设备，通过模仿人眼中的红色、绿色和蓝色光感受器和神经网络来产生图像。

“我们借鉴了大自然的设计 - 我们的视网膜包含对红，绿和蓝光敏感的视锥细胞和一个神经网络，甚至在信息传输到我们的大脑之前就开始处理我们所看到的东西，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系助理研究教授Kai Wang说。“这个自然过程创造了我们可以看到的丰富多彩的世界。

为了在人工设备中实现这一目标，科学家们用窄带钙钛矿光电探测器创建了一个新的传感器阵列，它模仿我们的视锥细胞，并将其连接到模仿我们的神经网络的神经形态算法，以处理信息并产生高保真图像。

光电探测器将光能转换为电信号，对于相机和许多其他光学技术至关重要。科学家说，窄带光电探测器可以聚焦在光谱的各个部分，如构成可见光的红色，绿色和蓝色。

“在这项工作中，我们发现了一种设计钙钛矿材料的新方法，该材料仅对一种波长的光敏感，”王说。“我们创造了三种不同的钙钛矿材料，它们的设计方式只能对红色、绿色或蓝色敏感。”

科学家们说，这项技术可能代表了一种使用现代相机中发现的滤镜的方法，这些滤镜会降低分辨率，增加成本和制造复杂性。

相机中的硅光电探测器吸收光线但不区分颜色。外部滤光片将红色、绿色和蓝色分开，滤光片只允许一种颜色到达光传感器的每个部分，浪费了三分之二的入射光。

“当光线被过滤时，会有一些信息丢失，使用我们的设计可以避免这种情况。因此，我们建议这项工作可能代表未来的相机传感技术，可以帮助人们获得更高的空间分辨率。

科学家们说，由于科学家使用了钙钛矿材料，新设备在吸收光线时产生能量，可能为无电池相机技术打开大门。

“该设备结构类似于利用光发电的太阳能电池，”宾夕法尼亚州立大学博士后研究员Luyao Zheng说。“一旦你照亮它，它就会产生电流。所以就像我们的眼睛一样，我们不需要施加能量来从光中捕获这些信息。

这项研究还可能引发人工视网膜生物技术的进一步发展。根据科学家的说法，基于这项技术的设备有朝一日可以取代我们眼睛中死亡或受损的细胞，以恢复视力。

科学家们在《科学进展》杂志上报道的研究结果代表了实现钙钛矿窄带光探测设备的几个根本性突破 - 从材料合成到设备设计再到系统创新，科学家们在杂志上写道。

钙钛矿是半导体，当光线照射到这些材料时，会产生电子 - 空穴对。向相反方向发送这些电子和空穴是产生电流的原因。

在这项研究中，科学家们创造了具有严重不平衡电子 - 空穴传输的薄膜钙钛矿，这意味着这些空穴比电子更快地穿过材料。通过操纵不平衡钙钛矿的结构，或者层的堆叠方式，科学家们发现他们可以利用特性，而不是将材料变成窄带光电探测器。

他们用这些材料创建了一个传感器阵列，并使用投影仪通过设备照射图像。在红色、绿色和蓝色层中收集的信息被馈送到一个三子层神经形态算法中，用于信号处理和图像重建。神经形态算法是一种旨在模拟人脑操作的计算技术。

“我们尝试了不同的数据处理方式，”王说。“我们尝试直接合并来自三个颜色层的信号，但图片不是很清楚。但是当我们进行这种神经形态处理时，图像更接近原始图像。

科学家们说，由于该算法模仿了人类视网膜中的神经网络，因此这些发现可以为这些神经网络对我们视力的重要性提供新的见解。

“通过将我们的设备和该算法结合在一起，我们可以证明神经网络功能在人眼的视觉处理中非常重要，”王说。

宾夕法尼亚州立大学为这项研究做出贡献的还有：电气工程与计算机科学系副教授Swaroop Ghosh和博士生Junde Li;材料科学与工程系助理研究教授Dong Yang，博士后研究员Jungjin Yoon和Tao Ye，博士生Abbey Marie Knoepfel和Yuchen Hou。前研究副校长兼战略计划主任兼材料科学与工程教授Shashank Priya也做出了贡献。

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